Machina mundi

Pewnie spotkaliście się już z metaforą, iż wszechświat jest maszyną. Tylko... jaką maszyną?  Skomplikowanym zegarkiem, gigantycznym pecetem, a może tajemniczym komputerem kwantowym?

Próbując odpowiedzieć na to pytanie od razu zauważamy, że pojęcie maszyny jest nieostre i zmieniało się na przestrzeni dziejów. Wszystkie skomplikowane maszyny, w tym maszyny przetwarzające informacje, mają jednak dwie cechy wspólne: po pierwsze, działają w oparciu o pewne ściśle określone prawa i reguły. Po drugie, mogą one funkcjonować „same z siebie” – bez naszego nieustającego wkładu.

Wydaje się, że wszechświat jako całość spełnia oba te kryteria. Rządzą nim prawa przyrody i doskonale radzi sobie bez naszego udziału. Przyjrzyjmy się teraz, jak dawniej wyobrażano sobie maszynę wszechświata – i jak robimy to teraz.

Antyczny ład

Pierwszych wizji świata przyrodniczego jako maszyny można się dopatrywać już w starożytnej Grecji. Pitagorejczycy, odnosząc się do wszechświata, określali go greckim słowem „kosmos”, które po polsku znaczy „porządek”. Wszechświat był dla nich zatem rzeczywistością uporządkowaną, a za zasadę porządkującą uznawali Liczbę. Pitagorejski wszechświat był okrągły i składał się z dziesięciu sfer, które poruszały się względem jego środka, wydając dźwięki. Dzięki szczególnym proporcjom między tymi sferami dźwięki wydawane przez sfery układały się w harmonię. 

Głównym aspektem tego modelu świata, który można by uznać za początki mechanistycznego myślenia, jest uporządkowanie świata przez proporcje. Zachowanie ciał niebieskich było w tym modelu przewidywalne i, zgodnie z przekonaniami Pitagorejczyków, odbywało się bez konieczności nieustannego wprawiania tych ciał w ruch.

Myśląc o pitagorejskim modelu kosmosu, jak również późniejszych rycinach autorstwa Galileusza czy Mikołaja Kopernika, warto wyobrazić sobie astrolabium – prosty przyrząd astronomiczny używany do nawigacji. Dzięki znajomości powtarzających się wzorców zachowań ciał niebieskich i wyznaczaniu ich aktualnego położenia nad horyzontem dało się określić kierunek podróży. Można twierdzić, że zbudowanie takiego przyrządu jak astrolabium nie byłoby możliwe, gdyby wszechświat nie był swoistą maszyną – a skoro takie urządzenie istnieje – i sprawdza się w praktyce! – to wszechświat maszyną być musi.

Wielka księga wszechświata

Po raz pierwszy terminu „maszyna” w odniesieniu do wszechświata użył Johannes de Sacrobosco, angielski uczony z XII w. W swoim dziele „O sferze świata” określił wszechświat jako machina mundi – maszyna świata. Według Sacrobosco wszechświat został stworzony w Umyśle Boga, który „zaprogramował” jego działanie. W dalszych częściach swojego dzieła wykorzystał ten fakt, aby argumentować za cudownym charakterem ukrzyżowania Jezusa, któremu towarzyszyły takie zaburzenia działania maszyny świata jak zaćmienie słońca.

Metafora machina mundi została przejęta przez Tomasza z Akwinu. Np. w „Kompendium teologii”, skróconej wersji „Sumy teologicznej”, argumentuje on, że w Nowym Niebie i Nowej Ziemi nie będzie wprawdzie zwierząt i roślin, gdyż są one śmiertelne i podlegają rozkładowi, ale zachowana zostanie struktura ciał niebieskich i żywioły, „gdyż cała maszyna świata jest z nich stworzona”.

Średniowieczne pojęcie maszyny świata było raczej metaforyczne, lecz z biegiem czasu zaczęło nabierać bardziej fizycznego znaczenia. Pomogła temu jeszcze inna metafora – wszechświata jako księgi. Jej źródła leżą głęboko w starożytności. W tradycji judeochrześcijańskiej mówi się czasem, że Stwórca dał nam dwie księgi: Pismo Święte i kosmos. W IV wieku wczesnochrześcijański teolog Atanazy Aleksandryjski pisał, że kosmos jest księgą, z której nie tylko uczymy się jego własnych tajemnic, ale być może nawet i strzępków wiedzy o Bogu, której zwykłe pismo nie jest w stanie zawrzeć.

Metafora ta przetrwała również do czasów nowożytnych. Znane są słowa Galileusza pochodzące z jego „Wagi probierczej” (1623 r.): „Filozofia jest zapisana w tej wielkiej księdze, wszechświecie, która nieustannie leży otwarta przed naszymi oczyma”. Galileusz ma tutaj na myśli filozofię naturalną, czyli, używając współczesnych kategorii, nauki przyrodnicze. Dalej dodaje: „Jest ona napisana w języku matematyki i jej literami są trójkąty, okręgi i inne figury geometryczne, bez których jest to po ludzku niemożliwe, aby zrozumieć choć pojedyncze słowo”. W tych słowach Galileusz wyraził swoje przekonanie, że zrozumienie świata fizycznego wymaga wykorzystania narzędzi matematycznych. Skoro jednak wszechświat jest opisywalny za pomocą trójkątów, okręgów i innych figur geometrycznych, to można również się spodziewać, że, według Galileusza, istnieją jakieś matematyczne prawa czy zależności, które rządzą rzeczywistością fizykalną. Te prawa mogą być interpretowane jak algorytmy, a cały wszechświat jako maszyna, której działanie, raz zapisane w matematycznej księdze, już na zawsze determinuje jej ewolucję.

Bóg-zegarmistrz

Nowożytność przyniosła jeszcze inną mechanistyczną metaforę. Wielu uczonych wyobrażało sobie wszechświat jako gigantyczny, nastawiony przez Boga zegar, co prowadziło czasem do światopoglądowych konfliktów. Gottfried Wilhelm Leibniz, niemiecki filozof i matematyk, w którego rozprawach filozoficznych metafora świata jako zegara najsilniej wybrzmiała, był oskarżany przez brytyjskiego filozofa Samuela Clarke’a o deizm – sprowadzanie Boga do roli zegarmistrza i wyrugowanie Bożej Opatrzności ze świata. Ten konflikt miał zresztą posmak osobisty – Clarke był uczniem Izaaka Newtona, z którym Leibniz przez lata rywalizował na polu przyrodniczym i matematycznym.

W XX w. pojawił się z kolei zupełnie nowy typ maszyn – maszyny liczące. Każdy komputer jest de facto pewną bardzo skomplikowaną maszyną fizyczną. Rolę trybików pełnią tranzystory, a zamiast ruchu przenoszone są impulsy elektryczne.

Rewolucyjnym elementem nowej maszyny jest przetwarzanie informacji zgodnie z pewnymi regułami (oprogramowaniem). Dzisiaj przecież mało kogo interesują szczegóły budowy laptopa i podstawowe fizyczne mechanizmy jego działania. Kluczowe jest to, że komputer można swobodnie programować, tak aby przetwarzał informacje.

Samo pojęcie informacji jest bardzo szerokie, ale w kontekście komputerów sprowadza się ono do ciągów zer i jedynek, czyli bitów. Przy użyciu odpowiednio długiego ciągu bitów można zapisać dowolny tekst w dowolnym alfabecie, a także zakodować np. obraz czy dźwięk. Matematyczną podstawą działania komputera jest koncepcja tzw. maszyny Turinga. Oznacza to, że komputer za pomocą deterministycznych algorytmów (niezawodnych „przepisów” przeprowadzania rozmaitych operacji krok po kroku) przetwarza dane początkowe zapisane w formie szeregów zer i jedynek, i zwraca wynik w tej samej formie.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że metafora świata jako komputera nie może mieć racji bytu – przecież świat to obiekty fizyczne, a nie ciągi zer i jedynek! Z drugiej strony, przy odrobinie wyobraźni można stwierdzić, że każdy układ fizyczny jest swoistym komputerem, bo jakąś  informację przetwarza np. roślina, w procesie fotosyntezy, przyjmuje informację niesioną przez fotony i zwraca przetworzoną informację w emitowanych cząsteczkach tlenu. Choć trudno by było na takim „komputerze” coś policzyć, to nie da się zaprzeczyć, że jakiś algorytm jest związany z procesem fotosyntezy. Wszechświat moglibyśmy sobie więc wyobrazić jako superkomputer, który nieustannie przetwarza informacje o wszystkich zachodzących w nim zjawiskach – albo realizuje odpowiadające za te zjawiska algorytmy.

A może komputer kwantowy?

Oprócz narodzin informatyki, XX w. przyniósł jeszcze jedną rewolucję pojęciową. Okazało się bowiem, że świat atomów wymaga zupełnie innego opisu niż świat makroskopowy. W świecie mikroskopowym rządzą prawa mechaniki kwantowej. Obiektom fizycznym nie można przypisać zwykłych własności, takich jak położenie, prędkość czy barwa. Zamiast tego używamy tzw. funkcji falowej czy też ogólniej: stanu kwantowego. Makroskopowe cechy wyłaniają się z mikroświata dopiero w trakcie pomiaru.

Zostawmy jednak problem przejścia od opisu kwantowego do klasycznego i wyobraźmy sobie, że żyjemy w świecie czysto kwantowym – nie ma żadnych obiektów i właściwości, są tylko stany kwantowe. Taki świat okazuje się być dużo bogatszy niż świat klasyczny dostępny dla naszych zmysłów, bowiem przestrzeń stanów kwantowych jest znacznie większa niż przestrzeń stanów klasycznych. Jest tak, ponieważ w świecie kwantowym występuje cała masa różnych dziwnych stanów, np. superpozycji dwóch cech czy tzw. stanów splątanych, w których dwie cechy odległych cząstek silnie są skorelowane.

Najprostszym stanem kwantowym jest kubit, który można sobie wyobrażać jako punkt na sferze. Na jej północnym i południowym biegunie znajdują się stany klasyczne, zwykle oznaczane przez 0 i 1. Mechanika kwantowa dopuszcza jednak rozmaite kombinacje stanów pośrednich – każdemu punktowi na sferze odpowiada inny stan kwantowy. Kubit można zatem postrzegać jako daleko idące uogólnienie bitu – podstawową jednostkę informacji kwantowej.

Stąd już prosta droga do tego, aby wyobrazić sobie kwantową maszynę liczącą, czyli urządzenie przetwarzające informację kwantową. Takie urządzenia już istnieją i wiele wskazuje na to, że w ciągu najbliższych dwóch dekad mogą zrewolucjonizować rynek komputerowy. Komputer kwantowy, opierający się na kwantowych algorytmach, jest bowiem znacznie szybszy niż jakikolwiek komputer klasyczny. Dzieje się tak dlatego, że mechanika kwantowa zamiast na pojedynczych bitach pozwala operować niejako równolegle na całych ich zestawach (superpozycjach).

Choć wizja wszechświata czysto kwantowego wydaje nam się absurdalna – w końcu empirycznie mamy dostęp tylko do świata klasycznego – to jest ona silnie podbudowana teorią. Ktoś mógłby przecież argumentować, że wszystko, w tym my sami, składa się z atomów, a atomy są kwantowe... Czy zatem  można powiedzieć, że wszechświat nie jest zwyczajnym komputerem – tylko komputerem kwantowym?

Wizja wszechświata jako kwantowego komputera rozpala wyobraźnię wielu fizyków. Seth Lloyd, profesor fizyki w Massachusetts Institute of Technology, poświęcił całą książkę „Programowanie wszechświata” argumentowaniu, że świat jest właśnie takim komputerem. Jego poglądy najlepiej podsumowuje zdanie z tej książki: „Cząstki nie tylko się zderzają, one obliczają”.

Trybiki w maszynie

Czy zatem wszechświat rzeczywiście jest wielkim komputerem kwantowym? Raczej jest to kolejny przykład dziejowy ukazujący to, jak wynalazki i odkrycia naukowe kształtują idee filozoficzne. Podobnie jak upowszechnienie się przyrządów mierniczych opartych na powtarzających się ruchach ciał niebieskich mogło zainspirować Sacrobosco do ukucia pojęcia machina mundi, a upowszechnienie się drukowanych książek mogło skłonić Galileusza do spojrzenia na wszechświat jako na księgę – tak również i część z nas, zafascynowanych najnowszymi technologiami, pragnie wierzyć, że wszechświat jest komputerem kwantowym. Z niegasnącym optymizmem postrzegamy świat przez pryzmat najnowszych teorii fizycznych zapominając, że poprzednie pokolenia z podobnym entuzjazmem ogłaszały coraz to nowe ostateczne teorie opisujące wszechświat.

Zauważmy jednak, że sama wizja mechanistyczna pozostała właściwie niewzruszona od czasów Pitagorejskich aż po XXI w. Jest ona tak żywotna, ponieważ sukcesy nowożytnej fizyki utwierdziły nas w przekonaniu, że wszechświatem rzeczywiście rządzą pewne prawa, które wydają się być zupełnie niezależne od nas samych. Choć prawdopodobnie nigdy nie odkryjemy „praw ostatecznych”, to jednak nasza wiedza na temat mechanizmów świata niewątpliwie narasta. Co więcej, nauczyliśmy się wykorzystywać te prawa, żeby samemu budować maszyny na obraz i podobieństwo tych występujących naturalnie w strukturach wszechświata.

Na tym mechanistycznym obrazie jest jednak pewna skaza, a tą skazą jesteśmy my sami. Rzecz w tym, że aby naprawdę zrozumieć działanie maszyny, trzeba na nią spojrzeć z zewnątrz. To jest de facto istota działania nauk przyrodniczych. Staramy się możliwie najlepiej wyizolować jakiś układ fizyczny czy biologiczny i badamy prawa nim rządzące poprzez rozmaite eksperymenty. Często przed rozpoczęciem badań mamy już jakieś teorie i hipotezy, ale ostatecznie to eksperyment rozstrzyga, czy mamy rację, czy nie. Żeby taka procedura miała sens, nasza aparatura badawcza nie może być częścią badanego układu. W przeciwnym razie pytanie, które stawiamy programując aparaturę – np. jaka jest masa M danej cząstki – jest źle postawione, ponieważ sam układ modyfikuje nasze pytanie, zanim udzieli odpowiedzi. Na przykład, zmierzone M będzie sumą masy cząstki i jakiegoś elementu aparatury.

Jeśli więc twierdzimy, że wszechświat jest maszyną, to natrafiamy na dylemat. Albo jesteśmy bezwolnymi trybikami owej maszyny, albo jesteśmy w jakimś sensie „poza wszechświatem”. Żadna z tych opcji nie wydaje się dobra.

W pierwszym przypadku nasze eksperymenty i wszystkie nasze działania są pozbawione znaczenia, bo wszystko zostało już „zapisane w gwiazdach”. To wydaje się zupełnie sprzeczne z codziennym doświadczeniem zmieniania świat, choćby poprzez maszyny i urządzenia, które naprawdę działają tak, jak zamierzyliśmy. Można też twierdzić, że jesteśmy nie tyle mechanicznym trybikami, co raczej wirtualnymi bytami w jakieś komputerowej symulacji – podobni do bohaterów książki czytanej przez kogoś innego. To pogląd logicznie dopuszczalny, choć na wielu płaszczyznach problematyczny. Jeśli wszystko jest symulacją, to jaki sens ma na przykład odpowiedzialność za swoje czyny? Czy uczestnicy symulacji mogliby kiedykolwiek przekonać się, że ona istnieje bądź nie? Z punktu widzenia samej nauki to zresztą rozważania jałowe, bo naukowcy tak czy inaczej są zdeterminowani, żeby poznawać i modelować wszechświat.

Jeśli z kolei stawiamy się poza wszechświatem, to lądujemy również poza prawami przyrody. O zgubnych konsekwencjach takiej próby przekonał się Ikar, któremu zdawało się, że pokonał prawo powszechnego ciążenia, ale dopadła go termodynamika.

Wygląda na to, że zmuszeni jesteśmy ciągle meandrować pomiędzy niewzruszonością praw i naszą wolnością eksperymentowania. Choć może kolejne odkrycia fizyki i matematyki ukażą nam Nową Maszynę, której trybiki aktywnie uczestniczą w jej budowaniu.